發(fā)酵基礎(chǔ)知識PPT課件

1、1,發(fā)酵基礎(chǔ)知識,生化公司 發(fā)酵車間 2013.8,2,主要內(nèi)容,1.發(fā)酵的定義 2.發(fā)酵工程的發(fā)展歷史 3.發(fā)酵罐相關(guān)知識 4.衣康酸發(fā)酵,3,發(fā)酵一詞最初來源于拉丁語“發(fā)泡、沸涌”（fervere)的派生詞，即指酵母菌在無氧條件下利用果汁或麥芽中的糖類物質(zhì)進行酒精發(fā)酵產(chǎn)生CO2的現(xiàn)象。 現(xiàn)代又對發(fā)酵重新定義：發(fā)酵泛指微生物在無氧或有氧條件下，通過分解代謝或合成代謝或次生代謝等微生物代謝活動，大量積累人類所需的微生物體或微生物酶或微生物代謝產(chǎn)物的過程。（我公司兩個產(chǎn)品主要就是通過有氧代謝得到微生物代謝產(chǎn)物的過程,4,發(fā) 酵 簡單的說利用微生物進行產(chǎn)品生產(chǎn),5,發(fā)酵工程可以分為：上游工程（主要

2、菌種選育）；發(fā)酵工程；下游工程（主要目標物質(zhì)的提?。?；我們現(xiàn)在所說是發(fā)酵基本是俠義的值發(fā)酵生產(chǎn)工段,6,2 發(fā)酵的發(fā)展歷史,發(fā)酵現(xiàn)象釀造食品工業(yè)非食品工業(yè)青霉素抗菌素發(fā)酵工業(yè)氨基酸,核酸發(fā)酵（代謝控制發(fā)酵）基因工程菌動物細胞大規(guī)模培養(yǎng)植物細胞大規(guī)模培養(yǎng)藻類細胞大規(guī)模培養(yǎng)轉(zhuǎn)基因動物,第一個轉(zhuǎn)折點：非食品工業(yè) 第二個轉(zhuǎn)折點：青霉素抗菌素發(fā)酵工業(yè) 第三個轉(zhuǎn)折點：切斷支路代謝:酶的活力調(diào)控,酶的合成調(diào)控(反饋控制和反饋阻遏),解除菌體自身的反饋調(diào)節(jié), 突變株的應(yīng)用,前體、終產(chǎn)物、副產(chǎn)物等 近代轉(zhuǎn)折點：基因、動物、海洋,7,發(fā)酵現(xiàn)象的早期認識,1680年制成顯微鏡 微生物的存在 1857年巴斯德證明了酒

3、精是由活的酵毋發(fā)酵引起的 1897年畢希納發(fā)現(xiàn)磨碎的酵母仍使糖發(fā)酵形成酒精 酶,8,發(fā)酵工程的早期階段,人們的對發(fā)酵技術(shù)的認識起始于19世紀末，主要來自于厭氧發(fā)酵，如利用酵母菌、乳酸菌生產(chǎn)酒精、乳酸和各種發(fā)酵食品。 20世紀初期，1916年英國采用梭狀芽孢桿菌生產(chǎn)丙酮丁醇，德國采用亞硫酸鹽法生產(chǎn)甘油（第一次世界大戰(zhàn)）由食品工業(yè)向非食品工業(yè)發(fā)展 好氧發(fā)酵技術(shù)：速釀法從乙醇生產(chǎn)醋酸，通氣法大量繁殖酵母，用米曲霉的麩曲代替麥芽糖作糖化劑生產(chǎn)酒靖，用微小毛霉生產(chǎn)干酪。 1933年等人發(fā)明了搖瓶培養(yǎng)法代替了傳統(tǒng)的靜置培養(yǎng)法。生長均勻，增殖時間短,9,發(fā)酵工程的重大轉(zhuǎn)折點,二十世紀四十年代初，第二次世界大

4、戰(zhàn)爆發(fā)，青霉素的發(fā)現(xiàn)，迅速形成工業(yè)大規(guī)摸生產(chǎn)。 1928年由 Fleming發(fā)現(xiàn)青霉素 1941年美國和英國合作對青霉素進行生產(chǎn)研究 表面培養(yǎng)：1升扁瓶或錐形瓶，內(nèi)裝200mL麥麩培養(yǎng)基 40u/ml 1943年沉浸培養(yǎng)： 5m3 200u/ml 當今：100m3200m3 5-7萬u/ml 鏈霉素、金霉素、新霉索、紅霉素,10,主要的技術(shù)進展： 通氣攪拌解決了液體深層培養(yǎng)時的供氧問題。 抗雜菌污染的純種培養(yǎng)技術(shù)：無菌空氣、培養(yǎng) 基滅菌、無污染接種、大型發(fā)酵罐的密封與抗污染設(shè)計制造。 意義： 抗生素工業(yè)的發(fā)展 建立了一套完整的好氧發(fā)酵技術(shù)，大型攪拌發(fā)酵罐培養(yǎng)方法 推動了整個發(fā)酵工業(yè)的深入發(fā)展

5、為現(xiàn)代發(fā)酵工程奠定了基礎(chǔ),11,大型發(fā)酵罐攪拌裝置,12,180M3發(fā)酵罐車間,大型空氣壓縮機,13,發(fā)酵車間的空氣過濾器,14,14,軸封 消泡器 聯(lián)軸器 攪拌器 中間軸承 擋板 空氣分布管 換熱裝置 人孔以及管路等 小罐與大罐有不同的設(shè)計,一、結(jié)構(gòu),3.機械攪拌通風發(fā)酵罐,15,15,哪個是小罐,16,16,哪個是小罐,16,臺面 空間 布置,17,17,發(fā)酵罐的幾種工作狀態(tài),空消 裝料 實消 接種 發(fā)酵 放罐 清洗,空氣 蒸汽 冷卻水 物料、補料管 接種管 取樣、放料管,壓力 溫度 pH 溶氧 攪拌速度,18,18,與不同工作狀態(tài)相應(yīng)的，是各種管道和閥門的開、關(guān)不僅注意罐的結(jié)構(gòu)，更要注意

6、管道與罐的連接,19,19,20,20,大小罐的結(jié)構(gòu)區(qū)別,罐徑在1米以下的小型發(fā)酵罐，罐頂和罐身采用法蘭連接 大中型發(fā)酵罐：整體焊接。 5噸以下罐，用夾套加熱和冷卻 5噸以上罐，用罐內(nèi)的蛇管加熱和冷卻,21,21,發(fā)酵罐：是 薄壁壓力容器,操作不當，會造成失穩(wěn)，原因較多，主要事故吸壁,22,22,某廠曾因蒸汽實罐滅菌后，罐體長時間處于密封狀態(tài), 蒸汽冷凝后罐內(nèi)成真空, 最后導致罐體成外壓失穩(wěn),一,23,我們公司發(fā)生過兩次發(fā)酵罐吸壁事故，這個教訓是非常深刻的，這一定要求大家必須按操作規(guī)程，安全操作；同時平時工作中需多個心眼，需注意閥門的滲漏檢查,24,24,罐體的尺寸比例：以罐體直徑D、攪拌器直

7、徑d為基準,通用發(fā)酵罐通常取值系數(shù)范圍 攪拌器直徑d =1/3D1/21/3 罐筒身高H0 =2 D 1.73 擋板寬度B =0.1D1/81/12 攪拌器間距S=2d1.52.5 下攪拌器距底間距C= d0.81.0 HL裝料的液面高度 ha 封頭凸出部分的高度，標準橢圓封頭有： ha 0.25D Hb封頭直邊高度，據(jù)壁厚一般取25、 40、 50mm,25,25,26,26,公稱容積：V0,V0定義為：罐圓筒部分容積底封頭容積 能裝液的體積 罐中實際裝料體積：V 則有：v/v0=0.7-0.8，即裝料系數(shù) 標準橢圓封頭時， 取，再取D/H=2時，有,27,27,H/D的大小會影響,隨著罐體

8、高度和液層增高，氧氣的利用率增加, 但增長不是線性關(guān)系,隨著罐體增高, 增長速率隨之減慢,液柱增高，進罐要求的空氣壓力必須提高，空壓機的能耗增加 在罐底氣泡受壓后體積縮小，氣液界面的面積減小 過高的液柱高度,雖增加了O2的分壓，但同樣增加CO2分壓，增加了二氧化碳濃度，可能抑制某些發(fā)酵菌種 而且罐體的高度,同廠房高度密切相關(guān),過高會如何,28,28,2.攪拌器,攪拌器的作用是： 產(chǎn)生強大的總體流動：宏觀均勻翻動 產(chǎn)生強烈的湍動：微觀均勻剪切 攪拌產(chǎn)生三種基本流型： 切向流、 軸向流、 徑向流。 三種基本流型，同時存在。 其中，軸向流與徑向流對混合起主要作用 而切向流應(yīng)加以抑制，可通過加入擋板來

9、削弱,29,29,流型,徑向流（流體流動的方向垂直于攪拌軸，沿徑向流動，碰到容器壁面分成兩股流體分別向上、向下流動，再回到葉端，不穿過葉片，形成上、下兩個循環(huán)流動。） 軸向流（流體流動方向平行于攪拌軸，流體由槳葉推動，使流體向下流動，遇到容器底面再翻上，形成上下循環(huán)流） 切向流（無擋板的容器內(nèi)，流體繞軸作旋轉(zhuǎn)運動，流速高時液體表面會形成旋渦，此時流體從漿葉周圍周向卷吸至槳葉區(qū)的流量很小，混合效果很差。,30,30,徑向式攪拌器,渦輪式攪拌器分為：平葉式、彎葉式、箭葉式三種 渦輪攪拌器要安一個圓盤 為了避免氣泡在阻力較小的攪拌器中心部分沿軸上升,31,31,相同半徑、轉(zhuǎn)速時，功率消耗： 平葉彎葉

10、箭葉 相同攪拌功率下，三者的粉碎氣泡的能力： 平葉彎葉箭葉 相同攪拌功率下，三者翻動流體的能力： 平葉彎葉箭葉,微觀湍動,宏觀翻動,32,32,軸向式攪拌器 槳葉式 旋槳式 Lightnin式,33,33,工廠多采用在同一攪拌軸上安裝不同葉形的攪拌器 上層：以混合為主的軸流型或箭葉攪拌器， 下層：以粉碎氣泡為主的平葉渦輪攪拌器,以三層攪拌器為例，最下層仍采用徑向型的渦輪攪拌器，其余兩層改用軸向流型攪拌器時，與三層均采用徑向流攪拌器相比，功率消耗可降低1530。 國內(nèi)醫(yī)藥行業(yè)在50m3發(fā)酵罐內(nèi)，上兩檔改裝軸流向型攪拌器，作土霉素發(fā)酵試驗表明，不但消耗功率下降，發(fā)酵指數(shù)也提高了近15,34,34,

11、3. 擋板,擋板的作用：改變液流的方向，將切向流改為軸向流,防止產(chǎn)生漩渦 數(shù)目通常為46塊，其寬度為0.10.12 D 全擋板條件：是指在攪拌罐中再增加擋板或其它附件時,攪拌功率不再增加。（消除液面漩渦的最低條件,式中 D罐的直徑（mm） Z擋板數(shù) W擋板寬度（mm） 用來校驗檔板數(shù)是否夠,35,35,4.軸封,軸封的作用：使罐頂或罐底與軸之間的縫隙加以密封，防止泄露和污染雜菌。 形式：填料函軸封、機械軸封兩種。 填料函軸封是由填料箱體，填料底襯套，填料壓蓋和壓緊螺栓等零件構(gòu)成，使旋轉(zhuǎn)軸達到密封的效果,發(fā)酵罐內(nèi)是正壓還是負壓,36,36,機械軸封,又稱端面軸封，由彈性元件、動環(huán)和靜環(huán)組成。 動

12、環(huán)固定在軸上，隨軸一起轉(zhuǎn)動。靜環(huán)裝在殼體上。動環(huán)依靠彈簧的壓力與靜環(huán)緊密接觸，阻止流體泄漏。 由兩個環(huán)的端面互相密切貼合而達密封目的,37,37,5.聯(lián)軸器及軸承,大型發(fā)酵罐攪拌軸較長，常分為二至三段加工，再用聯(lián)軸器組成牢固的剛性聯(lián)接。 小型的發(fā)酵罐可采用法蘭將攪拌軸連接，軸的連接應(yīng)垂直，中心線對正,38,38,39,39,作用：對軸固定，防止擺動，同時又不影響轉(zhuǎn)動 罐內(nèi)軸承接觸處的軸頸極易磨損，尤可以在與軸承接觸處的軸上增加一 個軸套,軸承結(jié)構(gòu),40,40,7.空氣分布器,空氣分布裝置的作用是吹入無菌空氣，并使空氣均勻分布。 分布裝置的形式有單管及環(huán)形管等。 常用的分布裝置是單管式，單管式管

13、口對正罐底中央，裝于最低一擋攪拌器下面，噴口朝下，管口與罐低的距離約40mm 通常通風管的空氣流速取20米/秒。為了防止吹管吹入的空氣直接噴擊罐底，加速罐底腐蝕，在空氣分布器下部罐底上加焊一塊不銹鋼補強?？裳娱L罐底壽命，叫補強板,41,41,8.消泡裝置,泡沫形成的原因 發(fā)酵液中含有蛋白質(zhì)等發(fā)泡物質(zhì)。 由外界引進的氣流被機械地分散形成（通風、攪拌） 危害 降低發(fā)酵設(shè)備的利用率 增加了菌群的非均一性 增加了染菌的機會 導致產(chǎn)物的損失 消泡劑會給后提取工序帶來困難,42,42,發(fā)酵罐的冷卻,主要是考慮： 微生物發(fā)酵過程的發(fā)酵熱 機械攪拌消耗的功率移送給培養(yǎng)基的熱量 此外還要考慮,發(fā)酵罐空消、實消后

14、的冷卻時間,9.傳熱系統(tǒng)（發(fā)酵罐需加熱還是冷卻,43,43,10 測量儀表,發(fā)酵罐檢測參數(shù)有:攪拌速度、罐內(nèi)壓力、溫度、空氣流量、泡沫度,此外還有pH 值、溶氧值、氧化還原電位等 這些檢測元件必須能滿足蒸汽滅菌和不能對發(fā)酵液產(chǎn)生污染 儀表的測量點的位置應(yīng)根據(jù)罐內(nèi)發(fā)酵液的流型進行合理的布點,44,44,11.發(fā)酵罐的管路、接口,罐體上的通道口一般有： 進料口放料口接種口取樣口 消泡劑口補料口進氣口排氣口,發(fā)酵罐的工作周期 空消實消降溫、通氣接種、補料、取樣放料清洗,進料管路有時配在罐體上封頭,有時位于罐體下部與放料管路共用一個管口 有時取樣、放料、接種使用一個口,有沒有蒸汽進口,45,實罐滅菌：

15、 “三路進汽”、 “非進即出” “三路進汽”就是在對培養(yǎng)基滅菌時，讓蒸汽從空氣進口、排料口、取樣口進入罐內(nèi)，由于這三個管都是插入到發(fā)酵醪中，若不進蒸汽就會形成滅菌死角。 所有進入發(fā)酵罐的管道在滅菌過程中如果不進入蒸汽就一定要進行排氣，使所有管道都被蒸汽（或二次蒸汽）通過,46,盡量減少管路 止回閥 消滅死角小辮子（在主閥門底部焊上，專門做排氣用） 閥門反裝 消滅滲漏 滅菌時各蒸汽進口壓力均一 冷凝水及時排出、蒸汽管道保溫 滅菌后的管道應(yīng)汽封或無菌空氣保壓,11.發(fā)酵罐的管路配置、滲漏與死角的排除,47,閥門,發(fā)酵工業(yè)中由于使用高溫蒸汽對發(fā)酵設(shè)備進行滅菌, 因此閥門要求是蒸汽級密封。 截止閥 發(fā)

16、酵用閥門開啟頻繁, 并經(jīng)常受介質(zhì)腐蝕、沖刷和氣蝕的損害。因此對發(fā)酵工業(yè), 閥門閥體材料用不銹鋼, 軟密封關(guān)閉件用可更換的聚四氟乙烯墊片,48,48,與發(fā)酵罐接觸的截止閥，應(yīng)保證閥座與罐相連。以防閥桿處瀉露造成污染,安裝于一般容器的進料閥方向,安裝于發(fā)酵罐時的方向,49,發(fā)酵罐的基本條件,1） 發(fā)酵罐應(yīng)具有適宜的徑高比。罐身越高，氧的利用率越高。 （2） 發(fā)酵罐能承受一定的壓力。 （3）要保證發(fā)酵液必須的溶解氧。 （4）發(fā)酵罐應(yīng)具有足夠的冷卻面積。 （5） 發(fā)酵罐內(nèi)應(yīng)盡量減少死角，避免藏垢積污，滅菌能徹底，避免染菌。 （6） 攪拌器的軸封應(yīng)嚴密，減少泄漏,50,討論問題： 現(xiàn)公司的發(fā)酵罐管道設(shè)計、閥門安裝存在哪些缺陷？ 請回車間后進行觀察，適當時間告訴車間和公司,51,衣康酸發(fā)酵,衣康酸：又稱為亞甲基丁二酸、亞甲基琥珀酸，最早是由巴普于1836年在研究檸檬酸的時候分解產(chǎn)物的時候發(fā)現(xiàn)的。 最早發(fā)現(xiàn)用霉菌發(fā)酵生產(chǎn)衣康酸是日本木下廣野，當時定名衣康酸